物理學的基本內容——現代物理部分

最新 03-27

現代物理學以相對論和量子力學為基礎，它的研究範圍已經擴展為從基本粒子到宇宙天體的各個領域，形成了許多分支學科和邊緣學科。

相對論

愛因斯坦（Albert Einstein，1879—1955）創建的相對論主要是時空的理論，它放棄了牛頓的絕對時間和絕對空間，建立了相對論時空觀，使物理觀念發生了一場根本的變革。在相對論中，局限於慣性參考系的理論稱為狹義相對論，推廣到一般參考系和包括引力場在內的理論稱為廣義相對論。

（1）狹義相對論。

1905年，愛因斯坦建立了狹義相對論。狹義相對論有兩個基本假設：

相對性原理：所有慣性參考系都是等價的，物理規律對於所有慣性參考系都可以表述為相同形式；

光速不變原理：真空中的光速相對於任何慣性系沿任一方向恆為c，並與光源運動無關。

愛因斯坦從這兩個假設出發，推導出兩個慣性坐標系的時空變換關係即洛侖茲變換。從而徹底否定了「以太」的存在，並導出了運動剛體的「長度收縮」、運動時鐘的「時間延緩」、同時的相對性及新的速度合成法則等。狹義相對論的時空觀表明：第一，時間、空間和物質的運動是有密切聯繫的，時間和空間的特性是相對的，時間間隔和空間間隔的量度並不具有不變性，而是隨物質運動狀態的變化而變化的；第二，時間和空間存在著不可分割的聯繫，它們不能分割開來而獨立存在，一切物理現象和過程都是在x、y、z和t的統一的四維連續區中存在著。

愛因斯坦把狹義相對論用於電動力學，證明了麥克斯韋方程組符合相對性原理，建立了相對論電動力學。在這裡，電場和磁場已不再各自是一個矢量，而是一個反對稱的四維張量，這個張量在不同的慣性系裡按一定的規律變換。電場和磁場是這個統一的張量的不同分量，它們對於不同的慣性系表現出來的效應是不同的。在某一個慣性系中表現出的是一個純粹的電場或磁場；在另一個慣性系中將同時表現出電場和磁場。這就是說，電磁場劃分為電場部分和磁場部分，只具有相對意義，它與觀察者所在的慣性系有關。

愛因斯坦還把相對論用於力學，建立了相對論力學。相對論力學能夠正確地描述高速運動的規律，並且，當速度v

（2）廣義相對論。

從1907到1915年，愛因斯坦提出並建立了廣義相對論。這個理論的出發點是引力質量和慣性質量相等這一事實，由此可以提出等效原理的假設：引力場同參照系的相當的加速度在物理上完全等價。根據廣義相對論，萬有引力效應是空間、時間彎曲的一種表現。空間、時間的彎曲結構，決定於物質的能量密度與動量密度在空間、時間中的分布；而空間、時間的彎曲結構，又反過來決定物體的運行軌道。愛因斯坦由廣義相對論作出的譜線紅移、光線彎曲、行星軌道近日點運動的預言，已經被一些實驗證實。

量子力學

量子力學是研究微觀粒子基本運動規律的理論。1923年，德布羅意（Louis de Broglie，1892—1987）提出物質波理論，開創了量子力學的時代。德布羅意認為，不僅光有波粒二象性，實物粒子也有波粒二象性。他還把描寫物質粒子性的物理量與描寫物質波動性的物理量聯繫起來，寫出了以他的名字命名的關係式。1926年，薛定諤（Erwin Schr?dinger，1887—1961）量子力學的基本方程——薛定諤方程（亦稱波動方程），還進而建立了微擾理論，詳細計算了散射等問題，完成了波動力學的創建工作。

差不多同時，海森伯（Werner Karl Heisenberg，1901—1976）等人從量子化條件出發建立了矩陣力學，並成功地解決了氫原子能級、斯塔克效應、氫原子在電場和磁場中能級的移動等問題。波動力學和矩陣力學是從兩個不同的方面研究一個共同的問題，它們的效果是相同的，可以通過數學變換從一個理論轉換為另一理論。人們把波動力學和矩陣力學合在一起，統稱為量子力學。1925—1930年，狄拉克（Paul Adrien Maurice Dirac，1902—1984）對量子力學理論作了全面總結，還建立了相對論量子力學。

現代物理學的各個領域

（1）量子光學和現代光學。

1900年，普朗克（Max Planck，1858—1947）在解釋黑體輻射時提出了能量子假說，認為各種頻率的電磁波只能以一定的能量子方式從振子發射，能量子是不連續的，其大小只能是電磁波（或光）的頻率與普朗克常數乘積的整數倍。1905年愛因斯坦發展了普朗克的能量子假設，把量子論貫穿到整個輻射和吸收過程中，提出了光量子（光子）理論，圓滿解釋了光電效應。其後的康普頓效應進一步證明了光量子理論。

量子力學的理論表明，光既具有波的性質，也具有粒子的性質，即波粒二象性。但光子不同於17世紀微粒說中的粒子，光子是和光的頻率聯繫著的。

20世紀60年代前後，激光器的問世、全息攝影技術的應用、光纖通訊的發展、紅外技術和遙感技術的出現，使光學進入現代光學的新時代，形成一些新的分支學科或邊緣學科，如傅里葉光學、非線性光學、激光光譜學、集成光學等。

（2）原子物理。

1911年，盧瑟福（Ernst Rutherford，1871—1937）通過實驗提出原子的有核模型，但在經典物理下，該模型同原子的穩定性發生了矛盾。1913年，玻爾（Niels Bohr，1885—1962）將量子觀念引入原子系統，通過定態假設和頻率假設兩個假說建立了他的原子結構理論，並成功地解釋了氫原子光譜規律。後來，人們又提出空間量子化的概念，研究了原子的殼層結構，發現了電子的自旋，不斷修正了原子結構理論。

這種在量子力學之前形成的原子理論，是有很大局限性的，其關鍵在於未能用波粒二象性去考慮原子問題。在這個理論中，研究範圍每擴大一步，一般都要附帶進若干新的假設或某些經驗公式，因此它不是一種完整的理論。只有以量子力學為基礎對原子結構進行研究，才能得到原子結構的精確描述。

（3）原子核物理。

原子核物理研究原子核的特性、結構和變化。1920年以前，盧瑟福等人發現了質子，1932年查德威克（James Chadwick，1891—1974）發現中子，從此人們認識到原子核是由質子和中子構成的。此後，人們曾提出各種核模型假設來解釋原子核的某些運動規律和現象。這些模型比較重要的有液滴模型、α粒子模型、費米氣體模型、殼層模型、單粒子殼模型、多粒子殼模型、集體運動模型、統一模型等等。但直到目前還沒有一個模型能夠解釋所有的實驗事實，原子核結構仍然是人們正在進行探索的一個重大課題。

早在1896年，人們就發現了天然放射性現象，使傳統的元素不變的觀念受到巨大衝擊。從1919年起，人們又實現了原子核的人工蛻變，這是實現人工核反應的重大突破。1938年，用中子轟擊鈾導致了核裂變的發現，根據相對論的質能關係，核裂變的質量虧損會產生巨大的能量。1942年，第一座原子反應堆在美國芝加哥大學建成並開始運轉，開始了人類利用原子能的新紀元。1952年以後，人們又實現了輕核聚變，產生了比裂變大得多的能量。

（4）粒子物理。

目前實驗上所能探測到的物質結構最深層次的研究，稱為粒子物理學，也稱為高能物理學。1932年安德森（Carl Darid Anderson，1905—）在宇宙射線中發現了正電子，標誌著粒子物理學的誕生。隨後逐步發現了一系列新的粒子。早期發現的粒子，都是來自宇宙射線，50年代以後，由於各種加速器相繼問世，大批粒子不斷地被發現。到目前為止，已經發現的粒子有幾百種之多，而且看來還會不斷有新的發現。

粒子之間的四種相互作用。

粒子之間存在著複雜的相互作用，能夠產生和消滅。粒子之間有四種相互作用：引力相互作用、弱相互作用、電磁相互作用和強相互作用。四種相互作用都是隨著粒子之間距離的增加而減弱。引力作用和電磁作用是隨著距離的改變按照平方反比的規律變化，屬於長程力。弱作用和強作用隨著距離的增加，比平方反比的減弱還要快得多，屬於短程力。按照所參與相互作用的不同，可以把已發現的粒子分為三大類：規範粒子、輕子和強子。

對稱性及其對應的守恆定律。

對稱性的研究為建立粒子物理理論提供了線索。物理規律的某種對稱性對應著相應的守恆定律。在宏觀物理中成立的質能守恆、角動量守恆、動量守恆和電荷守恆，在粒子物理中仍舊有效。此外，粒子運動還遵守重子數守恆、電輕子數守恆和μ輕子數守恆等守恆定律。粒子物理中還有一些在某種相互作用中受到破壞的守恆定律，如宇稱守恆定律在弱相互作用下就不成立。

強子的內部結構。

從本世紀50年代開始，人們意識到強子具有內部結構並得到了實驗證實。1964年，蓋爾曼（Murry Gell-Mann，1929—）提出強子結構的夸克模型。1974年，丁肇中（1936—）和里希特（Burton Richter，1931—）同時發現了J/ψ粒子，為夸克模型的真實性提供了有力的證據。理論上預言有六種夸克，現在已經發現了五種，第六種夸克的實驗發現還有待於進一步的證實。雖然夸克在強子內部可以相當自由的運動，但即使用目前最大的加速器也沒能將夸克打出來。很多人認為這是「夸克禁閉」造成的。因為夸克之間的相互作用是通過交換膠子實現的，膠子在強子內部起「粘膠」作用，有八種不同色荷的膠子以不同形式把夸克粘合在一起，在夸克之間傳遞相互作用。1979年，丁肇中等人在實驗中證實了膠子的存在，給研究強相互作用的量子色動力學以有力的支持。

量子場論。

波粒二象性，以及粒子的產生和消滅，是微觀、高速物理中的普遍現象。在高能情況下，不可能像在非相對論情況中那樣來區分粒子和場。把粒子和場統一處理並能反映粒子轉化的基本理論叫做量子場論。從1927年起經過二十多年時間由狄拉克等人建立的量子電動力學是最早的量子場論。在量子電動力學中，各種粒子均用相應的量子場來描述。空間、時間中的每一點的量子場均以算符來表示，稱為場算符。場算符滿足正則對易關係與形式上的哈密頓方程。在薛定諤方程的基礎上，加進產生與湮滅算符，叫做二次量子化。重整化方法的引入，使量子電動力學成為一個完整的描繪微觀電磁相互作用的精確理論，理論和實驗之間的符合達到驚人的程度。但是，量子電動力學本身在邏輯上不夠自洽，其研究方法在向弱相互作用和強相互作用擴展時也遇到了難以克服的困難。

規範場論。

最有可能把四種相互作用統一起來的量子場論是近年來崛起的規範場論。該理論企圖在進行超對稱的局部變換時，讓方程中所涉及的每一種對稱性都引入一種規範場，從而將包括引力在內的四種相互作用都包含在一個共同的理論框架之中，實現全面的大統一。1961年格拉肖（Sheldon Lee Glashow，1932—）提出弱相互作用和電磁相互作用統一的理論模型。1967年和1968年，溫伯格（Steven Weinberg，1933—）和薩拉姆（Abdus Salam，1926—）在規範場論基礎上實現了弱相互作用和電磁相互作用的統一，並為一系列實驗所證明。

量子統計物理

1900年普朗克提出能量子假設，也標誌著初期量子統計的開端。在經典統計方法中加進能量量子化的假設，可以成功地推導出與黑體輻射實驗相符的普朗克公式，還可以推導出與實驗符合得很好的固體比熱公式和多原子氣體比熱公式。量子力學的建立改變了經典統計力學的統計方法，形成了量子統計物理。

量子統計與經典統計的區別，主要反映在以下四點：

由於能量的變化是不連續的，能量在相空間中的代表點不是充滿各處，而僅僅存在於某一些區域中，因此經典統計中的相空間積分應當改為直接求各能級的分配數的總和；

由於全同粒子的不可辨別性，相同粒子的互換不能算作一個新的微觀態；

由於測不準關係的限制，相空間的小體積不能取得任意小；

費米子由於受泡利不相容原理的限制，每一相格只容許至多一個粒子，而對於玻色子，每一相格所容許的粒子數目沒有限制，因此對費米子和玻色子要用不同的方法進行統計。

用量子統計，能夠精確地解釋黑體輻射、金屬中自由電子的比熱等問題，並可導出熱力學第三定律。

凝聚態物理

凝聚態物理研究凝聚態（固態與液態）物質的微觀結構、物理性質及其內部運動規律。它是由固體物理學發展起來的，是現代物理學中最龐大的一個分支。它包括了固體物理學、晶體學、金屬物理學、半導體物理學、超導體物理學，還包括近年來興起的表面物理學、非晶態物理學等等。下面簡單介紹一下其中的固體物理學、半導體物理學和超導體物理學。

固體物理。

固體物理學主要的研究對象是晶態固體。19世紀，人們就已經積累了關於晶體幾何結構的大量知識。20世紀初，實驗和理論都為固體物理學的建立提供了堅實的基礎。1912年，勞厄（Maxvon Lane，1879—1960）首先指出晶體可以作為X射線的衍射光柵，使人們通過實驗觀測對晶體結構有了較深入的了解。量子理論的發現，使人們能夠更加深入和比較正確地描述晶體內部微觀粒子的運動過程。在這個基礎上，1928年布洛赫（F.BLoch，1905—）提出，晶體中原子的周期排列形成了對自由電子運動有影響的周期性勢場，在這種勢場中，電子佔據的、彼此相隔很近的可能能級形成能帶，能帶間有一定的間隙，稱為禁帶。這個能帶理論為固體提供了一個普遍適用的微觀模型。固體能帶論和晶格動力學使固體物理學成為一門系統的基礎學科，在處理晶體性能方面獲得了重大成功。例如，這些理論得出了區分導體、半導體和絕緣體的微觀判據，形成了位錯、晶體缺陷等方面系統的理論。

半導體物理。

能帶理論為半導體物理的發展奠定了基礎。半導體是依靠導帶中的電子或價帶中的空穴導電的，其導電性能可通過摻入雜質原子取代原來的原子而進行控制。近年來，半導體物理的研究已經深入和擴展到半導體能帶超精細結構的研究、半導體發光機制及半導體光導性質的研究等領域，表面物理也成為半導體物理學的一個重要研究內容。半導體物理的研究導致了1947年晶體管的發明和1959年集成電路的發明。當代集成電路技術與計算機技術的結合，已從根本上改變了整個工業、甚至整個社會的面貌，促進了新的世界技術革命的到來。

超導物理。

超導體物理學研究超導現象和超導體材料的特性。當溫度下降到臨界溫度時金屬突然失去電阻的現象稱為超導現象。它是1911年由昂內斯（H.K.Onnes，1853—1926）首先發現的。1933年發現了超導體的完全抗磁性，即邁斯納效應。1958年巴丁（Jhon Bardeen，1908—）等人提出了一個超導現象的微觀理論，大體上說明了超導現象的起源。1962年，人們發現了超導隧道效應，還提出了電子——聲子相互作用的強耦合超導理論。目前世界各國都在加緊對高溫超導材料的研究，已經研製出超導溫度為攝氏零下幾十度的高溫超導材料。

天體物理

天體物理研究天體的物質結構以及天體的形成和演化。從20世紀30年代到60年代，逐漸形成了關於恆星的比較統一的理論。恆星的前身（星胚）是由瀰漫稀薄的星際物質通過引力塌縮而凝聚成密度較大的氣體和塵埃雲。在塌縮過程中星胚中心密度增大、溫度增高，逐漸發熱發光，形成星前天體。引力收縮是星前天體的能源。當星胚核心溫度升高到一千萬度時，氫核聚變開始成為主要能源，這時進入主星序階段，一個真正的恆星便形成了。據計算，恆星只用幾百萬年甚至幾十萬年就走完了星前階段，而主星序則長達10億年到100億年。恆星演化的末期，將出現三類天體：白矮星、中子星和黑洞。目前，白矮星和中子星已被大量發現，黑洞的發現尚有待於進一步證實。在宇宙整體的研究方面，人們提出了宇宙膨脹理論和大爆炸理論，並且找到了一些實驗證據。

小非平衡統計物理

非平衡統計物理研究處於非平衡態的物質系統。經典統計力學認為，物質系統的演化是一種從有序到無序的不可逆過程。但生物界的有些現象卻與此相反，如生物的進化就是從低級到高級、從無序到有序乃至高度有序發展的。這樣，物理學和生物學這兩種演化觀就表現出尖銳的對立。這告訴我們，物理系統也應存在著從無序到有序的演化過程。1969年，普里高津（N.G.Pri- gogine，1917—）提出耗散結構理論，為尋找從無序到有序提供了新的思想。普里高津認為，處在遠離平衡態的不穩定狀態的開放系統，如果內部各要素間存在著非線性的相互作用，在穩定性被破壞後，可能向新的穩定狀態進行，在這個過程中，可以出現有序結構（耗散結構）。1973年，哈肯（Hermann Haken，1927—）從另一角度提出了一種研究從無序到有序的理論——協同學，它是一種產生自組織有序結構和功能行為的理論。

生物物理

生物物理學用物理學的理論和實驗技術研究生命現象。從20世紀30年代到50年代，一批物理學家在晶體分析技術的基礎上，逐步弄清了蛋白質的基本結構。1944年，薛定諤用量子力學的觀點討論了遺傳問題，他設想，基因是一種同分異構的連續體構成的非周期性晶體，在它的巨大數量的原子或原子群的排列組合中，蘊含著一種微型密碼，這種密碼形成遺傳信息。50年代初，一些物理學家開始對遺傳的物質基礎DNA（脫氧核糖核酸）進行結構細節的晶體研究。1953年，物理學家克里克（F.H.C.Crick，1916—）和病毒遺傳學家沃森（J.D.Watson，1928—）一起，提出了DNA雙螺旋結構的分子模型，並提出DNA分子結構的遺傳含義。他們認為，DNA雙螺旋結構就是攜帶著遺傳密碼的基因，一個DNA分子能夠複製出兩個完全相同的DNA分子。在DNA如何控制蛋白質合成的進一步探究中，物理學家伽莫夫（G.Gamov，1904—1968）根據排列組合提出「三聯體密碼子」假說，提出共有64種遺傳密碼。到1969年，這64種遺傳密碼已全部測出並被列成密碼錶。遺傳信息之謎的破譯，是20世紀自然科學最偉大的成就之一。

從前面（包括上一期）所展開的物理科學的壯觀畫卷中，我們深切地體會到，物理科學的內容確實是物理知識、物理觀念、科學方法和實驗基礎的有機的、巧妙的結合。除此之外，還可以看出：

物理科學具有如下幾個主要的特點：

a.物理學是一門以實驗為基礎的科學；

b.物理學是一門嚴密的理論科學；

c.物理學是一門定量的精密科學；

d.物理學是一門帶有方法論性質的科學。

物理學習的特點。

物理科學的特點必然要反映到物理學習中來，使物理學習帶有如下特點：

a.觀察和實驗是物理學習的基礎；

b.形成物理概念、掌握物理規律、建立物理觀念是物理學習的核心；

c.數學是物理學習的語言和工具；

d.科學方法是物理學習的手段和橋樑。